Применение лазеров в ядерных технологиях Лазерное разделение изотопов

Применение лазеров в ядерных технологиях Лазерное разделение изотопов

Пучок атомов влетает с определенной скоростью v в область взаимодействия с лазерным излучением, длина которой равна L вдоль по поток

Пучок последовательно взаимодействует с излучением двух лазеров, в результате чего на выходе из области взаимодействия концентрация ионов нужного изотопа увеличивается

Применение лазеров в ядерных технологиях Лазерное разделение изотопов

Многоступенчатая фотоионизация – излучение нескольких лазеров последовательно переводит атомы нужного изотопа в возбужденные состояния. На последнем шаге атом ионизируется

Столкновение возбужденного лазерным излучением изотопа с частицей буферного атома в скрещенных пучках, в результате которого происходит ионизация:

A * M A M e

Ионизация возбужденных изотопов в сильных электростатических полях: излучением лазера (или нескольких лазеров) возбуждаются состояния, близкие к энергии ионизации. Прикладываемое затем электрическое поле так меняет энергетические состояния атома, что возбужденное лазером состояние попадает в непрерывный спектр, и атом ионизируется

Многоступенчатая селективная фотоионизация может быть использована для разделения изотопов как атомов, так и молекул

Применение лазеров в ядерных технологиях Лазерное разделение изотопов

Применение лазеров в ядерных технологиях Лазерное разделение изотопов

Одноступенчатые методы

1.Сначала излучением лазера нужный изотоп переводится в возбужденное состояние. Далее возбужденный изотоп вступает в химическую реакцию с неким веществом (если изотоп находится в основном состоянии, химическая реакция не идет) и переходит в другое агрегатное состояние

2.Одноступенчатая фотопредиссоциация: если возбужденное связанное электронное состояние молекулы пересекается с отталкивательным, то вероятность предиссоциации велика в небольшом диапазоне колебательных квантовых чисел возбужденного электронного состояния. Это позволяет изотопически-селективно возбуждать нужный диапазон колебательных состояний при получении смеси изотопов монохроматическим лазерным излучением

Пучковые методы

Химические реакции происходят в скрещенных молекулярных пучках.

В пучках практически исключаются все столкновения, кроме столкновений между частицами-реагентами химических реакций

Применение лазеров в ядерных технологиях Лазерный термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез - при синтезе ядер дейтерия и трития выделяется большое количество энергии – 17.6 МэВ в одной реакции

Для начала термоядерной реакции синтеза необходимо сблизить ядра дейтерия и трития на расстояния порядка 10-13 см – это можно обеспечить путем сильного нагрева и сжатия вещества

Идея лазерного термоядерного синтеза заключался в импульсном воздействии лазерным излучением на вещество (мишень), при котором за короткое время в малом объеме вещества создаются очень высокие плотности и температуры

Имеющиеся на сегодняшний день лазерные источники пока не позволяют приблизиться к требуемым плотностям и температурам термоядерного топлива. Для успешной реализации ЛТС необходимы лазеры с энергией в несколько МДж в импульсе длительностью в доли наносекунд и с частотой повторения импульсов в несколько герц

Применение лазеров в ядерных технологиях Лазерная очистка поверхности

Очистка поверхностей - очистка от загрязнений, являющихся результатом различных аспектов человеческой деятельности

Традиционные способы очистки

Недостатки

1.В результате обработки поверхностей возникают большие объемы отработанных ядовитых или радиоактивных материалов, которые нужно в дальнейшем каким-либо образом утилизировать

2.Процесс очистки является небезопасным, поскольку при его проведении возможно разбрызгивание вредных веществ

3.В процессе дезактивации задействуется большое количество персонала, который при проведении работ подвергается воздействию вредных химических веществ и (или) радиационному облучению

Применение лазеров в ядерных технологиях Лазерная очистка поверхности

Сущность метода лазерной очистки - при воздействии на поверхность импульсом лазера достаточной мощности излучение поглощается в тонком порверхностном слое, вызывая испарение и ионизацию вещества, которое вылетает с поверхности в виде плазменного факела

Для сбора разлетающихся частиц используются специальные коллекторы

Взаимодействие лазерного излучения с материалом

1.Испарение вещества с поверхностного слоя

2.Разогрев испаренной фракции лазерным излучением до состояния плазмы

3.Расширение плазменного факела в окружающую атмосферу

Применение лазеров в ядерных технологиях Лазерная очистка поверхности

Наиболее широко распространенными в сегодняшних промышленных приложениях лазерами являются:

-лазер на двуокиси углерода (длина волны излучения 10.6 мкм),

-неодимовый лазер (1.06 мкм),

-эксимерные лазеры (190-350 нм).

Длительности импульсов излучения находятся в интервале от пико- до наносекунд, характерные энергии в импульсе составляют несколько джоулей на единицу площади

Характерные параметры лазерной технологической установки Высота установки составляет 2 м, ширина – 1.3 м, длина – 1.8 м.

Вкачестве лазерного источника используется промышленный XeCl лазер марки CILAS 635, излучающий на длине волны 308 нм в виде импульсов длительностью 70 нс с частотой повторения 400 Гц и средней мощностью импульса 1 кВт. Длительность волоконного световода составляет 5 м.

Всостав установки входят насос с фильтром, предназначенный для сбора удаляемых с поверхностей загрязнений и робот-манипулятор, обеспечивающий дистанционное управление процессом очистки. Данная установка в зависимости от вида загрязнений способна очищать поверхности со скоростями от 2 м2/ч до 6 м2/ч.